Fysikaaliset ominaisuudet

Transkriptio

1 Fysikaaliset ominaisuudet

2 Ominaisuuksien alkuperä Mistä materiaalien ominaisuudet syntyvät? Minkälainen on materiaalin rakenne? Onko rakenteellisesti samankaltaisilla materiaaleilla samankaltaiset ominaisuudet? 2

3 Aineen rakenne ja ominaisuudet 3

4 4

5 Atomi Massa Sidokset 5

6 11.3 kg/l 2.7 kg/l 6

7 Atomisidos Kimmokerroin Sulamispiste Äänen nopeus Sähkönjohtavuus Lämpölaajenemiskerroin Lämmönjohtavuus Sähkönjohtavuus 7

8 Kiteen ominaisuudet Lujuus Kovuus Tiheys Muovattavuus Sitkeys 8

9 9

10 Mikrorakenne 10

11 Kidevirheiden ominaisuudet Lujuus Sähkönjohtavuus Sitkeys Muovattavuus 11

12 Faasirakenne Lujuus Muovattavuus Sitkeys Sähkönjohtavuus 12

13 Miten ominaisuuksiin vaikuttaminen Materiaaliryhmän tai perusaineen valinta Koostumus Lämpökäsittely Muovaus (takominen, valssaus) Valmistus (valaminen, hitsaaminen, jne.) 13

14 Ominaisuuksia 14

15 Kimmokerroin Kuvaa materiaalin jäykkyyttä E Young s modulus Modulus of elasticity 15

16 16

17 Metallit: GPa Keraamit: GPa Polymeerit: GPa 17

18 Lämpökapasiteetti Kuvaa materiaalin kykyä absorboida lämpöenergiaa Energia varastoituu atomien värähtelynä 18

19 Metallit: J/kg K Keraamit: J/kg K Polymeerit: J/kg K Huom: tiheyden vaikutus ominaislämpökapasiteettiin suuri 19

20 Lämpölaajenemiskerroin Suurin osa materiaaleista laajenee lämpötilan noustessa 20

21 Atomisidoksen muoto 21

22 Keraamit: µm/m C Metallit: 5-25 µm/m C Polymeerit: jopa µm/m C 22

23 Lämmönjohtavuus Lämpö johtuu materiaaleissa: kiteen värähtelyn levitessä vapaiden elektronien mukana 23

24 Metallit: W/m K Keraamit: 2-50 W/m K Polymeerit: 0.3 W/m K Polystyreeni: 0.08 W/m K 24

25 Sähkönjohtavuus Vapaiden elektronien määrä Metalleissa runsaasti vapaita elektroneja Puolijohteissa ja eristeissä tarvitaan energiaa elektronien vapauttamiseksi sähkön johtamiseen (esim. lämmön tai valon muodossa) Vapaiden elektronien liikkeen helppous elektronien siroamimen hilavirheistä 25

26 Esimerkkejä lämpötilariippuvuu desta 26

27 Lämpötilariippuvuus 27

28 28

29 29

30 30

31 Esimerkkejä 31

32 Jarrulevyt Vaatimukset: Tasainen kitkakerroin Kestävyys Kuormitukset Kitkalämpö - nopea lämpeneminen/jäähtyminen - korkeat lämpötilat Jarrutusmomentin mekaaninen kuorma 32

33 Kestettävä toistuvia nopeita kuumennus-jäähdytyssyklejä korkeaan lämpötilaa ja kuormituksia korkeassa lämpötilassa Lämpökapasiteetti Lämmönjohtavuus Lujuus korkeassa lämpötilassa Sitkeys korkeassa lämpötilassa Keveys 33

34 Valurauta 34

35 Hiilikuitu-Hiili 35

36 Keraamiset 36

37 Hiili-keraami Hiilikuitulujitteinen piikarbidi 37

38 38

39 Patentti, 2009 Thermal barrier coating for thermal mechanical fatigue resistance 40

40 Patentti, Siemens, 2009 Vane assembly with metal trailing edge segment 41

41 Vaatimukset Turbiinin siivet altistuvat korkeille lämpötiloille pakokaasuille Mikään materiaali ei ole ideaalinen Tarvitaan konstruktio joka yhdistää eri materiaalien ominaisuuksia 42

42 Keraamikomposiitit Keraamikomposiitit sopivat etuosaan sillä: kestävät korkeita lämpötiloja matala lämmönjohtavuus - voidaan jäähdyttää pienellä ilmamäärällä Eivät sovi jättöreunaan sillä: reunan pitää olla ohut (ei voida valmistaa eikä pinnoittaa TBC:llä) ei ole valmistusteknisesti mahdollinen jännitykset epäoptimaalliseen suuntaan 43

43 Metallit Sopivat jättöreunaan, sillä: valmistustekniikka ja lämmönjohtavuus sallivat hyvän jäähdytyksen voidaan valmistaa ohut jättöreuna Eivät sovi etuosaan sillä: paksussa etureunassa vaikea jäähdyttää altistuvat korroosiolle ja korkealle lämpötilalle 44

44 Ratkaisu Valmistetaan siipi kahdesta tai useammasta osasta Ei voida suoraan liittää materiaalien erilaisen lämpölaajenemisen vuoksi 45

45 Ratkaisu Liitetään osat joustavasti toisiinsa Voidaan joustavasti hyödyntää eri materiaalien ominaisuuksia 46